La cosmografía con retardo temporal podría permitir una cámara de velocidad para el universo

Existe una importante y no resuelta controversia en cosmología respecto a la velocidad de expansión del universo, y resolverla podría revelar nueva física. Los astrónomos buscan constantemente nuevas formas de medir esta expansión por si acaso existen errores desconocidos en los datos de marcadores convencionales como las supernovas.

Recientemente, investigadores, incluido un grupo de la Universidad de Tokio, midieron la expansión del universo utilizando técnicas novedosas y nuevos datos de los telescopios más modernos. Su método aprovecha la forma en que la luz de objetos extremadamente distantes toma múltiples vías para llegar hasta nosotros. Las diferencias en estas vías ayudan a mejorar los modelos sobre lo que sucede a las mayores escalas cosmológicas, incluida la expansión.

El trabajo se publica en Astronomy & Astrophysics.

Comprendiendo la constante de Hubble
El universo es grande y se está haciendo cada vez más grande. ¿Cuán grande es? No lo sabemos realmente. Pero sí sabemos a qué velocidad se expande. Sin embargo, no es un asunto sencillo, ya que la expansión parece más rápida cuanto más lejos observamos. Por cada 3,3 millones de años luz (o un megapársec) de distancia, vemos objetos a esa distancia alejándose a una velocidad creciente de unos 73 kilómetros por segundo. En otras palabras, la tasa de expansión del universo es de 73 kilómetros por segundo por megapársec (km/s/Mpc), también conocida como la constante de Hubble.

Existen diferentes maneras de determinar la constante de Hubble, pero hasta ahora, todas se han basado en las llamadas escalas de distancia. Se trata de fenómenos como las supernovas o las estrellas variables cefeidas, que se consideran suficientemente conocidas como para que su presencia, incluso en otras galaxias, nos permita obtener mediciones precisas sobre ellas, incluyendo sus distancias.

Al observar suficientes de estas estrellas a lo largo de las décadas, la constante de Hubble se ha visto cada vez más limitada. Sin embargo, siempre ha existido cierta duda sobre este método, por lo que los cosmólogos agradecen las mejoras.

En su último artículo, un equipo de astrónomos, que incluye al profesor adjunto del proyecto Kenneth Wong y al investigador postdoctoral Eric Paic, del Centro de Investigación del Universo Temprano de la Universidad de Tokio, demostró con éxito un método conocido como cosmografía de retardo temporal. Creen que puede mitigar la dependencia de las escalas de distancias y que también debería ofrecer derivaciones en otras áreas de la cosmología.

Cómo funciona la cosmografía de retardo temporal
«Para medir la constante de Hubble mediante cosmografía de retardo temporal, se necesita una galaxia muy masiva que pueda actuar como una lente», explicó Wong. «La gravedad de esta ‘lente’ desvía la luz de los objetos que se esconden tras ella, por lo que vemos una versión distorsionada de ellos. Esto se denomina efecto de lente gravitacional. Si las circunstancias son las adecuadas, veremos múltiples imágenes distorsionadas, cada una de las cuales habrá seguido un camino ligeramente diferente para llegar hasta nosotros, con tiempos distintos.

«Al buscar cambios idénticos en estas imágenes que estén ligeramente desfasadas, podemos medir la diferencia de tiempo que tardaron en llegar hasta nosotros». La combinación de estos datos con estimaciones sobre la distribución de la masa de la lente galáctica que los distorsiona es lo que nos permite calcular la aceleración de objetos distantes con mayor precisión. La constante de Hubble que medimos se encuentra dentro de los rangos admitidos por otros métodos de estimación.

La importancia de la tensión de Hubble
Quizás se pregunte por qué los investigadores se esfuerzan tanto solo para encontrar un número que ya conocen. Esto tiene que ver con algo crucial para comprender la historia del universo, que actualmente sigue sin resolverse. Ese valor de 73 km/s/Mpc para la constante de Hubble es correcto según las observaciones de objetos cercanos, pero existen otras formas de medir la tasa de expansión cósmica que también pueden analizar datos del pasado lejano, en particular la radiación que impregna el universo resultante del Big Bang, también conocida como el fondo cósmico de microondas (CMB).

Cuando los investigadores utilizan el CMB para calcular la constante de Hubble, obtienen un valor inferior de 67 km/s/Mpc. Esta discrepancia se denomina tensión de Hubble, y el trabajo de Wong, Paic y sus colaboradores ayuda a aclarar su naturaleza, ya que aún existe la duda de si podría ser algo más que el resultado de un error experimental.

Nuestra medición de la constante de Hubble «Es más consistente con otras observaciones actuales y menos consistente con las mediciones del universo temprano. Esto evidencia que la tensión de Hubble podría surgir de la física real y no solo de una fuente de error desconocida en los diversos métodos», afirmó Wong. «Nuestra medición es completamente independiente de otros métodos, tanto del universo temprano como del tardío, por lo que si existen incertidumbres sistemáticas en dichos métodos, no deberíamos vernos afectados por ellas».

Mejora de la precisión e investigación futura
«El objetivo principal de este trabajo fue mejorar nuestra metodología, y ahora necesitamos aumentar el tamaño de la muestra para mejorar la precisión y determinar decisivamente la tensión de Hubble», afirmó Paic. «Actualmente, nuestra precisión es de alrededor del 4,5 %, y para determinar con precisión la constante de Hubble a un nivel que confirme definitivamente la tensión de Hubble, necesitamos alcanzar una precisión de alrededor del 1 % al 2 %».

El equipo confía en que estas mejoras en la precisión son posibles. El estudio actual utilizó ocho sistemas de lentes de retardo temporal, cada uno de los cuales ocluye un cuásar distante (un agujero negro supermasivo que acumula gas y polvo, lo que le da un brillo intenso), y nuevos datos de los telescopios espaciales y terrestres más recientes, incluido el Telescopio Espacial James Webb. El equipo pretende aumentar el tamaño de la muestra, así como mejorar otras mediciones y descartar cualquier error sistemático aún no explicado.

Una de las mayores fuentes de incertidumbre es que desconocemos con exactitud cómo se distribuye la masa en las galaxias lente. Generalmente se asume que la masa sigue un perfil simple consistente con las observaciones, pero es difícil estar seguro, y esta incertidumbre puede influir directamente en los valores que calculamos —dijo Wong—.

La tensión del Hubble es importante, ya que podría indicar una nueva era en la cosmología que revele nueva física. Nuestro proyecto es el resultado de décadas de colaboración entre múltiples observatorios e investigadores independientes, lo que resalta la importancia de la colaboración internacional en la ciencia.

Con información de Astronomy & Astrophysics